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1、织物键盘按键开关组织结构设计毕业设计论文织物键盘按键开关组织结构设计毕业设计论文前 言 键盘是计算机重要的外围设备之一，目前市场上主流键盘大多为塑料制成的刚性体，虽然结构简单、成本低，但是灵敏度及稳定性较差；并且体积大、笨重，携带不方便；当凸出的按键之间的空隙中进入灰尘、细小的碎屑时不易清理，同时沾上污垢后洗涤不便，从而易滋生微生物病菌；敲击按键时手感较硬、噪声大，易磨损、容易出现接触不良，使用寿命相对较短。长时期的研究表明，键盘在给人们的工作、学习和生活带来方便的同时，也带来了各种疾病，这点尤其体现在各种办公综合症上。例如，反复性肌腱劳损（RSI），又叫反复 性劳损伤，是由于长时间反复动作及

2、不良的姿势所造成的手指、手腕部、头部和颈部等部位发生的病变；累积性骨骼肌肉损伤则是因长时间保持相对固定的坐姿和重复某动作而形成强迫形体位，以致身体相应部位处于持续的紧张状态，从而导致局部神经和肌肉损伤；腕管综合症(CTS)则是键盘操作中一个比较突出的问题，这是由于使用者长时间手腕悬空、高速、单一和重复敲击键盘，造成双手肌肉的紧张，甚至造成使用者肌体上的劳损伤1。因而，随着市场竞争的日益加剧，在不断求新求变的市场策略下，键盘会向更舒适，更美观的方向发展。 同时，随着电子信息技术与智能纺织品领域交叉学科的不断发展，可穿戴式计算机2-4Wear Comp (Wearable Computer) 的研

3、究热潮悄然兴起，Wear Comp 是一类新概念的个人移动计算机系统。例如，飞利浦公司和Levis公司合作生产，包含一个简易的网络系统，依靠埋入衣料内的光纤将随身携带的电子产品连接起来，并且通过置入织物的软键盘，实现对手机和播放机的控制，在衣领内有一个微型麦克风和一对可随意调节左右声道的立体声耳机，可以与外界对话和收听广播。可见，纺织面料把织造技术与柔性触摸界面技术结合在一起，计算机也设计成了服装的一部分。可穿戴式计算机的特殊人机关系和交互方式需要轻质的、特殊的键盘。数字键盘柔软是计算机领域和服装领域的全新概念和挑战，它们给服装赋予了新的功能和用途，这势必在计算机和服装领域产生重大的影响。为了

4、解决刚性体键盘不能卷曲、体积大、笨重，携带不方便，沾上污垢后不易清洁、敲击按键时手感较硬、噪声大等缺点；同时，为了可穿戴计算机的发展，增大纺织、服装产品附加值，引起人们的兴趣，促进消费，有助于推动纺织行业的发展和振兴做出贡献，本课题预研制一种织物键盘按键开关，力求实现替代现有的刚性体键盘开关。该织物键盘开关通过将导电纱线和普通绝缘纱线进行交织，利用织物组织结构本身的特性和导电纱线的有效分布，使得在织物特定位置施加合适的压力时，织物中相应位置的导电纱线相互接触，电路导通；释放压力时，电路断开，实现键盘开关的基本功能。进而解决了刚性体键盘手感较硬、不易洗涤、占地面积大和携带不方便等缺点。第一章 织

5、物键盘开关的研究现状1.1国外织物键盘开关的发展相关资料表明，国外已经在柔性织物键盘方面进行了研究，并且已出现了一些相关的产品。例如，织物键盘应用在PDA（掌上电脑）、标准键盘和手机上，Logitech、Orange、Techpinch、Spyderer等公司也有相关的产品5。实际上，所有这些公司采用的都是英国Eleksen公司的ElekTex技术6，ElekTex制作成5层织物层，排列成一个电子触摸板。外层和中心层为导电层，两个隔离层围绕中心层，当压缩各织物层时，该传感器接触启动，形成一个电路。通过这个动作，位置X和Y值产生低分辨率压力测量值(Z)。这些X、Y、Z值衡量和解释相关的电子控制装

6、置，其中转换动作成为一个指令传给目标的电子设备，如一个ipod，手机、智能电话或个人电脑。同时，IDEO与Electro textiles这两家公司合作创造的柔性键盘，每个字母或数字都有相应的按键，而且都具有比较灵敏的触觉7。 新西兰纺织研究和开发组织(WRONZ) 已研制出电导纺织连通技术和聚合体应用工艺来生产开关装置，该装置能保留传统纺织品的美学性质和技术性质。Peratech公司已生产出一系列具有独特特性和不同电子性能的弹性电阻聚合物，为一种“可变电阻”量子隧道效应复合材料，能提供电子装置的比例控制以及简单的开关转换。这就意味着手指一旦触摸，该材料能由绝缘体转变为金属般的导体，对于数字式

7、或模拟式均可适用，可以用作最基本的开关控制，也可以根据压力的大小来进行程度性的控制。如一个按键可以更换MP3的声道，也可以控制音量的大小8。WRONZ欧洲实验室与Peratech公司已研制出一系列有效的样品，包括织物音乐键盘、服装用键座以及控制计算机软件的键座。其中一些在伦敦的明日世界发明博览会上展出9。图1-1为织物音乐键盘。 图1-1 织物音乐键盘 图1-2 织物计算机键盘 新西兰用羊毛成功编制的计算机键盘10如图1-2所示，该毛织品键盘可以像围巾一样卷起来。在羊毛中添加有特殊的合成纤维，这种特殊纤维能在受压时从绝缘体变成导体，根据特殊纤维的这一性能，只要按压键盘，信号就可以传送给计算机。

8、毛织品键盘是利用软交换工艺制成的，该工艺常用于制作内装播放器或电话的运动服。美国麻省理工学院媒体实验室正在开发另一种用导线刺绣成的织物键盘。该织物键盘使用导电性和非导电材料缝制成一个行列寻址结构，使用此键盘的数字衣服可以像任何其它衣服一样在洗衣机中洗涤。日本爱知县产业技术研究所对外宣布已经成功开发出具有传感器功能的织物，其具备接触式开关的功能11。据资料介绍，该织物采用了皮芯结构，芯部为具有导电功能的金属纤维，皮层为具有绝缘性的纤维。这种纤维制成的织物，受压后经线与纬线的距离变小，其间静电电容量发生变化，这种电容量的变化可以实现开关功能。1.2国内织物键盘开关的发展国内对于织物键盘的研究较少，

9、尚在起步阶段。已见报道的有浙江理工大学研制的布键盘12-13。浙江理工大学的杨斌等人在2006年也申请了柔性键盘的专利。该发明公开了一种计算机外围设备，旨在提供一种由织物做成的柔性键盘这里提供的柔性织物键盘。它依据键盘原理研究出通过织物代替键盘的塑料等材料，以达到键盘可折叠的柔性效果的柔性织物键盘，包括上电路层、隔离层、下电路层和按键层，均由不导电的织物构成且由上至下依次布置；所述按键层的上表面标识有键盘的键位；隔离层上布设与键位一一对应的孔洞；上电路层和下电路层分别设置定义列的电路和定义行的电路，且在隔离层孔洞的相应位置设置一一相对应的电极，两电路连接至一个信号接口。该织物键盘可以作为输入设

10、备之用，实用与各种类型的信息产品兼容。该织物键盘具有防污、清洗方便、可折叠、携带方便、敲打无声音以及环保等优点，而且键盘可以根据需要来定做。不足之处在于这款键盘的电路层是由导电浆料印制而成，不是由导电纤维织成，使用过程中随着导电浆料的磨损、褪却，可能会影响织物导电的稳定性，从而影响键盘的使用效率及使用寿命。第二章 织物键盘开关的原理与设计2.1织物键盘开关的目的、意义与原理2.1.1织物键盘开关的目的、意义 键盘自从19 世纪中叶发明以来，已经被广泛用作打字机和计算机的输入设备14。据统计全世界约有9亿以上的人在使用电脑，这就意味着有9亿多以上的人在接触键盘。除了电脑键盘，生活中还有许多地方用

11、到键盘，如电话键盘、遥控器键盘、计算器键盘等等，可见键盘无处不在，对于我们的生活、娱乐等方面产生重要影响。但以上所述的键盘皆为刚性体，具有体积大、笨重、携带不方便、沾污后不易清洁、敲击按键时手感较硬、噪声大等缺点。同时，经常使用会对身体产生一定的副作用，如上文提到的反复性肌腱劳损、累积性骨骼肌肉损伤指关节病变等。如果织物键盘开关研究成功，能够达到传统刚性体键盘开关功效，同时，又能解决刚性体键盘不能卷曲、体积大、笨重、不易洗涤和携带不方便等缺点，从而可以占领传统键盘现有的广大市场。织物键盘的研究，将有着很好的应用前景。近年来，随着纺织工业不断发展，人们的衣着、提包、窗帘等纺织品正向多功能化和智能

12、化方向扩展，正以飞快的速度成为时尚产品。纤维和织物中加入电子系统的衣服最近已有飞快的进展。这些发展来源于便携电子装置，如手机和个人电脑的大量使用。电子元件体积的降低使服装中置入电子装置的可能不断提高。而未来的电子服装中将具有置入在衣袖内的织物按键，以用来拨打电话、打印资料、输入信息和播放音乐等。柔性开关还可以植入室内纺织品来控制电子装置，如照明、家用器具和视听设备。未来将是一个基于可穿着交互作用和软接触界面的触觉世界，对于织物键盘的探索研究，除了实现织物键盘代替传统的硬质键盘外，还可为开发可穿戴计算机提供输入设备，为智能纺织品融入到未来社会的医疗、保健、通讯、航天、军事、运动、娱乐等各个领域中

13、做出贡献。2.1.2织物键盘开关的原理 织物由三层组织构成，金属丝分别置于上层和下层，中间形成孔洞，当上层金属丝与下层金属丝通过外力相接触时，电路导通，开关闭合。2.2织物键盘开关的结构设计2.2.1纵向截面的结构图根据开关的原理，设计了一种贯穿接结织物，其纵向截面图如图2-1所示。图2-1 贯穿接结结构织物纵向截面图截面图的解释 第一部分：其中圆圈数字“，, ”代表纬纱，共62根纬纱；数字“1、26”分别代表6层经纱。其中135纬部分为键盘开关的支撑及连接部分，中间的两层纬纱将上下表层分隔开，各经纱贯穿整个织物，将各层织物连接成一个整体；36-62为孔洞单元。支撑单元为角连锁贯穿接结结构，在

14、织造完成一个角连锁贯穿接结支撑单元后，接续织造一个孔洞单元。孔洞单元中6个系统经纱分为上、下两层，1、2、3、4系统经纱组成孔洞单元上层的一组经纱，采用1/3的斜纹组织；5、6系统经纱组成孔洞单元下层的一组经纱，采用平纹组织。 第二部分：其中圆圈数字“，, ”代表纬纱，共62根纬纱；数字“7、812”分别代表6层经纱，分为支撑单元（1-35纬）与孔洞单元（36-62纬）。支撑单元与第一部分相同。孔洞单元中6个系统经纱分为三层，7、8系统经纱组成孔洞单元上层的一组经纱，采用平纹组织；8、9 系统经纱在孔洞部分形成较长的浮长线，以起到更好的支撑效果，并且在按键位置的两侧作为纬向的隔离层，以免当按压

15、一个按键点时，纬向的另一个按键点意外导通；11、12系统经纱组成孔洞单元下层的一组经纱，来固定37、40、43、46、49、52、55、58、61纬纬纱，采用平纹组织。 结构中1、2、3、4经纱为金属丝，形成上电路层，第40、43、46、49、52、55、58纬也是金属丝，形成下电路层。2.2.2织物上机图图2-2 贯穿接结结构织物上机图根据织物的截面图采用顺穿法，所用综片数即为组织循环经纱数，即第一部分穿16片综，第二部分穿712片综，每筘齿穿6入，这样既有利于经纱的均匀分布，又可以减少经纱与筘齿间的摩擦。根据纵向结构的截面图和引纬顺序可以确定织物组织图，由组织图和穿综 确定纹板图。由于采用

16、顺穿方法穿综，纹板图与组织图相同。第三章 织物键盘开关的织造3.1织物键盘开关的上机织造3.1.1织造方案的确定织造过程中，需要改变的因素有：三种材料（涤纶短纤20s/2，大红纱线，黑白相间）， 三种孔洞尺寸（5纬、9纬、13纬），三种金属丝合股根数（1、2、3根），三种间隔纬纱材料（缝纫线、塑料线、毛线），三种孔洞上层纬纱材料（普通纱线、锦纶弹性丝、氨纶弹性丝）。如果按常规的方法织造（改变其中一个因素，其他因素不变），工作量大且耗费时间长。为了减少织造困难，我们采用正交实验法设计了三水平五因素的织造方案。 打开正交设计助手，新建实验，选择三水平七因素表，因素与水平的填写如图3-1所示，然后点

17、击确定得出表3-1织造方案。图3-1 实验因素与水平表3-1 贯穿接结结构织物的织造方案因素绝缘材料孔洞尺寸金属丝合股数间隔纬线材料孔洞上层纬纱材料实验结果实验1涤纶短纤20s/25纬2根塑料线细普通材料实验2涤纶短纤20s/213纬1根缝纫线细锦纶弹性丝实验3涤纶短纤20s/29纬3根毛线细氨纶弹性丝实验4大红纱线5纬2根缝纫线细锦纶弹性丝实验5大红纱线13纬1根毛线细氨纶弹性丝实验6大红纱线9纬3根塑料线细普通材料实验7黑白相间5纬1根塑料线细氨纶弹性丝实验8黑白相间13纬3根缝纫线细普通材料实验9黑白相间9纬2根毛线细锦纶弹性丝实验10涤纶短纤20s/25纬3根毛线细锦纶弹性丝实验11涤

18、纶短纤20s/213纬2根塑料线细氨纶弹性丝实验12涤纶短纤20s/29纬1根缝纫线细普通材料实验13大红纱线5纬1根毛线细普通材料实验14大红纱线13纬3根塑料线细锦纶弹性丝实验15大红纱线9纬2根缝纫线细氨纶弹性丝实验16黑白相间5纬3根缝纫线细氨纶弹性丝实验17黑白相间13纬2根毛线细普通材料实验18黑白相间9纬1根塑料线细锦纶弹性丝3.1.2材料的性能参数绝缘纱线的性能参数如表3-2所示表3-2 绝缘纱线参数材料细度（tex）单纱强力（cn）断裂伸长率（%）断裂功（mj）弹性回复性（释放拉力后）（%）捻度（捻/10cm）涤纶短纤20s/259.62238814.4731.30.6762

19、.16大红纱线36.45464.5756.43.3370.87黑白相间40.9946518.05252.71.6757.81金属丝的性能参数如表3-3与表3-4所示表3-3 不锈钢微丝技术性能指标线径（mm）公差范围（mm）抗拉强度（N/mm）延伸率（%）电阻率（/m）0.0900.00387841100.23表3-4 不锈钢微丝化学成分成分CMnSiPSNiGr规范%0.032.01.000.0450.0309-13.518-20间隔纬纱的性能参数如表3-5所示表3-5 间隔纬纱参数材料规格压缩模量塑料线8号18 MPa毛线1.82tex16 MPa缝纫线35.1tex15 MPa注：材料压

20、缩模量的测试方法见4.3章节 3.1.3织造工艺参数的确定由织物纵向截面图可以确定该组织的循环经纱数，同时由于织物在设计过程中各层可以自行锁边，因此可以不考虑边纱根数。根据织物所需的宽度、纱线的缩率、筘号及每筘齿穿入数，可以很容易确定织物总经根数。如图3-2所示，其中灰色区域表示按第二部分、第一部分顺序排列为一个循环，两边循环11次，中间循环10次；黑色区域表示第一部分为一个循环，均循环4次。同时，灰色区域的经纱均为普通纱线，而黑色区域的第1、2、3、4根经纱为金属丝。即普通经纱根数=21112+21012+342528根； 金属丝经纱根数=344=48根； 总经根数=528根+48根=576

21、根图3-2 经纱排列顺序示意图表3-4 织造工艺参数材料总经根数（根）筘号织物幅宽（cm）经密（根/10cm）纬密（根/10cm）纬缩(%)涤纶短纤57679123841282%大红纱线5767911.54012134%黑白相间5767911.64001603%3.2织物织造过程简述3.2.1织造准备 按照织造参数进行织造准备（整经、穿综、穿筘）。绝缘纱线的织造准备与普通织造所用方式相同，金属丝则在绝缘纱线准备工作完成后单独进行。由于所有绝缘纱的用纱量相似，勿需分层，由织机后梁提供所需经纱张力即可；金属丝则由单独的金属重锤提供其所需的经纱张力。3.2.2织造 在织造过程中，根据结构纵向截面图2

22、-1所示，纬向绝缘纱线分为上下两层，各使用一支纬管，三种间隔纬纱各使用一支纬管，三种孔洞上层纬纱中的氨纶弹性丝和锦纶弹性丝各使用一支纬管，而其中的普通纱线与上层绝缘纱线都位于织物上层，使用同一支纬管即可。所以，织造纬纱总共分三部分（上层、间隔、下层），共七支纬管。这是为了能够进行分层织造，使每层结构独立，利于按键性能的优化。织造支撑单元部分时，组织图中的1- 30纬重复一次；织造按键单元时，按照孔洞尺寸5纬、9纬、13纬分别织造，9纬如图2-1所示，5纬指把组织图中的36-47纬去掉，13纬指把组织图中的36-47纬重复一次。注意在植入纬纱金属丝时，孔洞部分下层的两边要用绝缘纱线，如图中所示3

23、7和61纬用绝缘纱线。织造孔洞上层纬纱时，若上层纬纱为氨纶弹性丝或锦纶弹性丝时，由于氨纶和锦纶弹性较大，所以与普通纱线合股使用，以便打纬顺利，若上层纬纱为普通纱线时也要使用两合股纱线，以形成对比，避免合股线对实验结果造成影响。按照此要求循环织造支撑单元和孔洞单元两次后，再织造一次支撑单元；依此循环重复，完成织物键盘开关的织造，其中每块实验材料织造六个按键点。3.3织物外观图 图3-3 涤纶短纤 图3-4 大红纱线 图3-5 黑白相间第四章 织物键盘开关的测试与分析本课题研究的织物键盘开关是根据传统触点式键盘开关结构特点设计并织造的，主要包括上电路层、隔离层、下电路层。该织物键盘开关是一种力求实

24、现与传统触点式键盘开关功能相似的导电织物，即在对应按键位置施加适当压力时，电路导通；释放压力时，电路断开，可见电路的通断性是评价键盘开关优劣的一个重要指标。而不同织物开关在按键位置按压时的弹性回复性一定程度上也影响了键盘开关的通断性，键盘开关的回复性好，释放压力后上下电路层能够很快分开，从而提高键盘开关的通断灵敏性。本章主要针对所制备的织物键盘开关的急回复行、导通压力、开关行程、和导通率进行测试，从而分析了织物键盘开关的急回复行、导通压力、开关行程和导通率与织物所用绝缘材料、孔洞尺寸、金属丝合股根数、间隔纬纱种类和孔洞上层纬纱之间的关系。4.1急回复性、导通压力、开关行程的测试键盘开关的急回复

25、性是指织物键盘开关在最小导通压力值的按压下，织物受力压缩，除去压力时回复，回复距离与压缩距离的差值一定程度上反映了织物键盘开关结构的急回复性，差值越小，急回复性越好。导通压力定义为在探杆压头面积一定的条件下，织物键盘开关导通时所需的最小压力值。织物键盘开关的导通压力越小，使用者手指的按压力则越小。开关行程是指探杆压头开始接触按键上层并继续按压直到电路接通为止所运动的距离。4.1.1测试装置原理为了测试织物键盘开关的急回复行、导通压力、开关行程，采用山东莱州电子仪器有限公司生产的LLY-06F型键盘载荷测试仪进行测试。该设备适用于各种按键及开关的压力负荷测试。图4-1为键盘载荷测试仪侧面实物图。

26、图4-1 键盘载荷测试仪侧面实物图织物键盘开关经纬向引出的金属丝接入电路中，当测试压头按压按键位置时，上下导电层中的金属丝接触，电路导通，仪器内部电路捕捉到这一信号，压头自动停止，传感器感应到此过程中的压力及织物的压缩和回复位移并由内部软件记录下来，生成压力-位移曲线。4.1.2测试方法首先安装LLY06测试系统，对实验过程中的各项参数条件进行输入，参与计算。实验前建立一个新的空数据文件，为存储数据做准备。将测试设备与电脑进行联机，将待测织物键盘开关放在试验平台上，使按键位置位于测试压头的正下方，并将该按键的经纬向引线接到仪器的两个鳄鱼夹中，按拉伸键开始试验，试验平台开始上行，同时电脑程序开始

27、采集数据，并对数据进行处理，显示图形。重复操作直到试验次数完成。4.2导通率的测试4.2.1测试原理在恒定压力下，用万用电能表测试按键点的电阻值，若电阻值可显，证明导通，若电阻值无限大，即不可显，则证明不导通。通过计算导通次数占总测试数的比例来计算导通率。4.2.2测试方法 使用常州第二纺织机械厂的YG141型号的织物厚度仪作为恒定压力源，仪器调零，所放砝码值为100g。将待测织物键盘开关放在试验平台上，使按键位置位于测试压头的正下方，并将该按键的经纬向引线接到万用电能表的两个鳄鱼夹中，每块待测织物取两个测试点，每个测试点分别测试10次，分别记录电能表所显示的电阻值，以便后续计算。图4-2为织

28、物厚度仪实物图图4-2 织物厚度仪 4.3间隔纬纱压缩模量的测试4.3.1测试原理 压缩模量是指物体在受单向或单轴压缩时应力与应变的比值。通过厚度仪的测试，记录每次压缩应力和织物被压缩后的厚度，计算得出相应压缩模量。 4.3.2测试方法 使用常州第二纺织机械厂的YG141型号的织物厚度仪，仪器调零，测试所用砝码为100g。将待测织物键盘开关放在试验平台上，使两按键之间的位置位于测试压头的正下方，每块待测织物取三个测试点，每个测试点分别测试1次，读取并记录表盘上的数据。将砝码加值400g，重复上述实验。 4.5数据分析数据分析时，我们使用软件正交设计助手。主要分析急回复性、导通压力、开关行程和导

29、通率对织物开关性能的影响。在实验计划表，实验结果一列分别输入急回复性、导通压力、开关行程和导通率，然后进行分析，找出它们的最佳方案。4.5.1急回复性图4-2 急回复性实验计划表图4-3 急回复性直观分析表一般地说，各列的极差是不等的，这说明各因素的水平变化改变时对实验结果的影响是不相同的。极差越大，说明这个因素的水平改变对实验结果的影响也越大，极差最大的那一列的因素，就是因素的水平改变对实验结果影响最大的因素，也就是最主要的因素。上例中，绝缘纱材料金属丝合股根数孔洞上层纬纱材料间隔纬纱材料孔洞尺寸。因此各因素的主次顺序纬为：绝缘纱材料，金属丝合股根数，孔洞上层纬纱材料，间隔纬纱材料，孔洞尺寸

30、（由主到次排列）。图4-4 急回复性效应曲线图选出最优方案：挑选因素的水平与所要求的指标有关，若指标越大越好 ，则应该选取使指标大的水平，即均值中大的那个水平；反之，若指标越小越好，则应取使指标小的那个水平。如例中，值越大急回复性越好，所以选取使指标越大越好 。因此材料为黑白相间纱线，孔洞尺寸为5纬，金属丝合股根数为2根，间隔纬纱材料为毛线，孔洞上层纬纱为锦纶弹性丝，为最佳方案。选择误差所在列时，选取S值空白列的为误差所在列。图4-5 急回复性方差分析表有*号的影响显著。因此，绝缘材料对急回复性影响最为显著。4.5.2导通压力图4-6 导通压力实验计划表图4-7 导通压力直观分析表 一般地说，各列的极差是不等的，这说明各因素的水平变化改变时对实验结果的影响是不相同的。极差越大，说明这个因素的水平改变对实验结果的影响也越大，极差最大的那一列的因素，就是